自主CPU比技術(shù)引進(jìn)CPU更具發(fā)展后勁

　　目前，我國CPU發(fā)展存在自主研發(fā)和引進(jìn)技術(shù)兩條技術(shù)路線。

　　自主研發(fā)路線在硬件上基于自主定義指令集，基于自定義指令集或者主流指令集擴(kuò)展，CPU自主設(shè)計，對于每一行代碼，每個模塊，每一條線都很清晰，在軟件上自建生態(tài)。

　　引進(jìn)技術(shù)路線是在硬件上基于買來的指令集授權(quán)或CPU源代碼研制芯片，在軟件上依附于西方成熟生態(tài)。

　　從實(shí)踐上看，自主CPU比技術(shù)引進(jìn)CPU更具發(fā)展后勁。

　　如何評價CPU

　　為了衡量CPU的性能，業(yè)界也推出了很多基準(zhǔn)測試程序，比如針對CPU的SPEC，針對嵌入式應(yīng)用的EEMBC等。SPEC測試是比較權(quán)威的測試程序。和一些黑箱測試程序調(diào)整計分方式和計分權(quán)重后測試結(jié)果就發(fā)生變化不同，SPEC測試到底跑了什么程序，以及各項程序跑分和計分方式全部公開透明，而且覆蓋范圍廣——SPEC2000有12個定點(diǎn)程序，14個浮點(diǎn)程序，而且有比較強(qiáng)的代表性，比如gzip、vpr、gcc、mef、eon等。而SPEC2006則把定點(diǎn)程序擴(kuò)展到14個定點(diǎn)程序和16個浮點(diǎn)程序。

　　在計分方法上，SPEC在計分上采用歸一化的幾何平均方法來進(jìn)行綜合性能評估。不過SPEC也非盡善盡美，測試存在容易受編譯器影響的問題。舉例來說，SUN曾經(jīng)通過編譯器優(yōu)化提升SPEC跑分50%，龍芯的某一代產(chǎn)品也曾用自主研發(fā)的LCC編譯器，比使用GCC定點(diǎn)跑分提升了60%。

　　另外，即便同樣是GCC編譯器，不同版本的GCC編譯器下，測試成績也會有很大差異。筆者認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根源并非SPEC測試的缺陷，反而用事實(shí)說明了，最后的用戶體驗是軟件+硬件的結(jié)果，充分說明了軟硬件磨合的重要性。

　　這里再談一下編譯器，程序員在編程的時候?qū)懙氖蔷幊陶Z言，但是計算機(jī)運(yùn)行的時候是機(jī)器語言，編譯器就是將程序員的編程語言翻譯成機(jī)器語言的工具。

　　此前，華為方舟編譯器是輿論上非常火，一些媒體把編譯器說的非常玄乎，仿佛"秒天秒地秒空氣"。但這種宣傳是有些過頭了。方舟編譯器是用于安卓平臺，把java編譯為機(jī)器碼，和jit以及解釋執(zhí)行模式不同。和GCC、ICC(英特爾)、LCC(龍芯)、SWCC(申威)等PC編譯器是兩個不同概念。方舟編譯器只對java有效，一位業(yè)內(nèi)人士將其形容為："方舟也是一種簡單粗暴方法，以犧牲兼容性來換取局部性能提升，對手機(jī)局部性能有效，但生態(tài)兼容很麻煩"。

　　自主CPU單核性能進(jìn)步速度優(yōu)于技術(shù)引進(jìn)CPU

　　目前，國內(nèi)CPU公司在宣傳上有一個非常不好的現(xiàn)象，那就是喜歡堆核心數(shù)，用64核、48核戰(zhàn)平英特爾14核、28核CPU來"彰顯"自己的CPU如何厲害。

　　但實(shí)際上，這種做法意義是相對有限的，因為在桌面和服務(wù)器，很多程序都是串行的，尤其是桌面CPU非常注重單核性能。

　　畢竟單核性能是基礎(chǔ)，很多程序都依賴單進(jìn)程的處理速度，如果單核性能上不去，核心數(shù)再多也沒用，這也是在AMD推出銳龍以前，一大批六核、八核芯片打不贏Intel 四核芯片的原因。在電子發(fā)燒友中甚至還有"I3默秒全"的調(diào)侃，以及對聯(lián)發(fā)科"1核有難，10核圍觀"的調(diào)侃。

　　游戲開發(fā)者也向AMD RTG圖形部門大佬Raja Koduri表示：相比堆核心數(shù)，他們寧愿希望CPU單核性能提升1%。

　　類似的，一批國產(chǎn)ARM芯片雖然在PPT上追平英特爾，但市場上各個被英特爾吊打，只能時不時發(fā)一個PPT顯示自己的存在感，甚至還不乏華芯通這種關(guān)門的例子。這背后的根源就在于如果單核性能不足，盲目堆核心數(shù)意義有限。

　　在AMD推出銳龍以后，單核性能大幅提升，這使AMD的市場份額有所回升，并使AMD的股價在2019年上漲80%，并去年在標(biāo)普500指數(shù)中排名第一。值得一提的是，蘇姿豐依靠銳龍，徹底打了一個翻身仗，在其擔(dān)任CEO期間，AMD的股價上漲了800%。蘇姿豐也憑此入選了美國金融報紙Barron發(fā)布的"2019年全球最佳CEO"名單。

　　因此，想要在市場上占據(jù)一席之地，單核性能至關(guān)重要，CPU單核性能不行的話，萬事皆休。在日常使用中比較仰仗CPU定點(diǎn)性能，因而在這里我們以單線程實(shí)際測試的定點(diǎn)成績做比較。

　　上圖中，藍(lán)色的為技術(shù)引進(jìn)CPU，紅色的為自主CPU。

　　先來看藍(lán)色的技術(shù)引進(jìn) CPU。2013年的FT1500是基于SPARC的開源代碼設(shè)計出來的，2015年的FT1500A為ARM，F(xiàn)T1500A相較于FT1500在單核性能上提升了4倍，但在FT1500A之后，F(xiàn)T2000和FT2000plus在單核性能上提升就比較有限了。

　　再來看紅色的龍芯。龍芯3A1000和龍芯3B1500在單核性能上與FT1500大致相當(dāng)。之后的龍芯3A/B2000明顯遜色于FT1500A，之后的龍芯A3/B3000也只是在單核性能上接近FT2000。但到了龍芯3A/B4000這一代，性能有了大幅提升，單核性能提升超過80%。

　　根據(jù)公開消息，龍芯3A4000采用GS464V處理器核，支持LoongISA2.0指令集，支持256位向量擴(kuò)展，支持核內(nèi)安全機(jī)制，大幅提升同頻通用性能。升級了片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，支持更多路片間互聯(lián)，支持內(nèi)存目錄功能，提升I/O和多路性能。升級了訪存接口，支持DDR4接口，制造工藝為28nm。

　　通過對樣片的測試表明，龍芯單核定點(diǎn)和浮點(diǎn)性能均達(dá)到每Ghz頻率10分（SPEC2006，GCC編譯器），片內(nèi)計算和訪存能力均衡，開啟向量的LINPACK核心效率超過93%。主頻為1.8Ghz至2Ghz。

　　必須說明的是，龍芯3A/B4000這一代與龍芯A3/B3000這一代CPU在制造工藝上都是28nm SOI工藝，也就是說在制造工藝完全相同的情況下，龍芯通過自身的設(shè)計能力，把單核性能提升80%以上。在國內(nèi)諸多ARM芯片性能提升高度依賴臺積電先進(jìn)工藝和購買國外更好EDA工具的大背景下，龍芯這種完全依靠自身設(shè)計能力提升CPU性能的做法絕對是一股清流。

　　之所以會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，鐵流認(rèn)為，這主要是技術(shù)路線造成的。技術(shù)引進(jìn)CPU雖然在初期會有一個大飛躍，但要實(shí)現(xiàn)技術(shù)引進(jìn)消化吸收，這需要時間，會產(chǎn)生一個"先快后慢"的效果。目前，龍芯3A4000采用的依然是28nm工藝，在單核性能上已經(jīng)追平或超越了國內(nèi)一些采用7nm/16nm工藝的CPU，如果龍芯更新工藝，后續(xù)提升空間非常大。

　　CPU自主研發(fā)雖然在前期會有比較高的試錯成本，發(fā)展也會慢一些，性能也會差一些，但有助于積累經(jīng)驗，鍛煉能力。由于CPU源代碼都是自己寫的，發(fā)現(xiàn)問題后自己有能力改，通過不斷的性能分析，找出CPU的瓶頸，然后不斷地迭代，這才是發(fā)展的動力。

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